Nano Energy：原子層沉積制備高負載量超穩定自支撐碳-硒正極用于鈉-硒電池

【引言】

鈉-硒(Na-Se)電池具有能量密度高、安全性能出色、循環穩定性能優異等特點，成為能量儲存領域的熱點研究課題。然而現階段Na-Se電池的發展受到以下幾方面限制：(1)多硒化物溶解；(2)導電性不理想；(3)循環穩定性欠佳。為了解決Na-Se電池存在的上述問題，研究人員進行了大量的研究。

【成果簡介】

近日，Nano Energy在線發表了題為“Atomic Layer Deposition-Enabled Ultrastable Freestanding Carbon-Selenium Cathodes with High Mass Loading for Sodium-Selenium Battery”的研究論文，報道了鈉-硒電池正極材料的最新研究進展。深圳大學的張培新教授和佐治亞理工學院的林志群教授為論文的共同通訊作者，論文的第一作者為深圳大學的馬定濤和李永亮博士。研究人員借助熔融擴散、氣相沉積和原子層沉積制備得到了可用于鈉-硒電池的氧化鋁包覆的硒/多孔氮摻雜碳納米纖維復合電極(SC@Se-Al2O3)。研究發現：通過調節硒(Se)含量和氧化鋁(Al2O3)薄膜的厚度，可以得到高負載量、高穩定性、自支撐的碳-硒正極材料；當Se含量為67 wt%, Al2O3薄膜厚度為3 nm時，電極的性能最優；在0.5 A/g的電流密度下，電極在循環1000次后并未表現出明顯的容量衰減，可逆容量可達503 mAh/g；原子層沉積(ALD)可以調節電極的電化學性能，提高活性物質負載量和循環穩定性。本文為未來高負載量、高穩定性電極的設計和研究提供了一種新的選項。

【圖文導讀】

圖-1. 樣品制備示意圖及微觀形貌表征

(a)SC@Se-xAl₂O₃復合材料制備流程示意圖；

(b) Se/PCNFs的FE-SEM圖像；

(c) SC@Se 復合材料的FE-SEM圖像。

圖-2. 樣品的微觀形貌表征和元素分析

通過ALD沉積不同循環的Al₂O₃得到的SC@Se-xAl₂O₃復合物的C，Se，Al和C的HRTEM圖像和具有電子能量損失譜(EELS)元素圖的高角度環形暗場(HAADF)圖像。

(a, b)當x = 10時，產物的HRTEM圖像和HAADF圖像；

(c, d)當x = 25時，產物的HRTEM圖像和HAADF圖像；

(e, f)當x = 40時，產物的HRTEM圖像和HAADF圖像。

圖-3.不同樣品的表征結果

(a) Se, PCNFs和SC@Se-xAl₂O₃復合材料 (x=10, 25, 40)的XRD圖譜；

(b) PCNFs, Se/PCNFs和SC@Se的TGA曲線；

(c) PCNFs, Se/PCNFs和SC@Se的N₂吸脫附等溫線和孔徑分布曲線；

(d) Se, PCNFs和SC@Se-xAl₂O₃復合材料的Raman光譜。

圖-4. 不同樣品的XPS表征結果

(a) Se, PCNFs和SC@Se-xAl₂O₃復合材料 (x=10, 25, 40)的XPS光譜；

(b) SC@Se-xAl₂O₃復合材料中Al 2p的XPS光譜；

(c) PCNFs中N 1s的XPS光譜。

圖-5. 產物的電化學性能測試結果

(a) SC@Se-xAl₂O₃復合材料的循環穩定性曲線；

(b) SC@Se-xAl₂O₃復合材料相對初始電流密度為0.1 C時容量的倍率性能對比；

(c) PCNFs, SC@Se和SC@Se-25Al₂O₃復合材料的長期循環穩定性能對比；

(d) SC@Se和SC@Se-xAl₂O₃電極循環前的Nyquist曲線；

(e) SC@Se電極循環示意圖。

(f) ALD沉積Al₂O₃薄膜穩定SC@Se電極循環示意圖。

【小結】

本文運用兩步滲透法和原子層沉積工藝成功制備了可用于鈉-硒電池的高性能復合電極材料。兩步滲透法的應用有效提高了活性物質的負載量，原子層沉積的Al₂O₃保護層有效提高了電極的穩定性。氮摻雜導電碳基體和Al₂O₃保護層的協同作用不僅可以確保電子、離子的快速遷移，抑制多硒化物向電解質的溶解，而且可以有效抑制充放電過程中的體積膨脹。這種通過構建多級結構的策略為其他高性能儲能器件的設計和研究提供了新的思路參考。

文獻鏈接：Atomic Layer Deposition-Enabled Ultrastable Freestanding Carbon-Selenium Cathodes with High Mass Loading for Sodium-Selenium Battery?(Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.042)

【團隊簡介】

張培新，二級教授，博士生導師，深圳大學化學與環境工程學院院長，廣東省柔性可穿戴能源與器件工程技術研究中心主任。先后主持或參加了國家自然科學基金重點項目及面上項目、“973計劃”課題、教育部科學技術研究重點項目、廣東省自然科學基金等40多項課題。在無機納米材料、鋰（鈉）離子電池、太陽能電池和超級電容器等領域做出了頗具特色的研究成果，在國內外期刊發表論文200多篇。

林志群，美國佐治亞理工學院教授、英國皇家化學學會會士，從事能源轉換和存儲納米功能材料、半導體有機-無機納米復合材料、復雜結構功能聚合物等方面的研究。其研究已獲得美國NSF、AFOSR、DOD-MURI等機構的資助，已在Science、Nat. Mater.、Nat. Nanotech.、Sci. Adv.、Phys. Rev. Lett.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等國際一流期刊上發表學術論文185篇。目前，擔任Journal of Materials Chemistry A副主編以及Nanoscale編輯顧問委員會成員。

【團隊相關領域工作介紹】

研究團隊長期以來一直致力于先進納米材料的設計、合成及其在新能源器件領域中應用的研究。其中，利用靜電紡絲法（electrospinning）制備了多種鋰離子電池的正、負極材料，如Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂/C及Si/Ni₁₇Si₃/C復合材料等，一維碳纖維骨架能夠有效提高電極的電子、離子導電性，并提高其循環穩定性。該系列工作發表在Acta Mater., 2016, 112, 11; J. Power Sources, 2016, 311, 35; Electrochim. Acta, 2016, 192, 385; RSC Adv., 2016, 6, 52746。采用原子層沉積技術（atomic layer deposition）可控制備了多種金屬氧化物納米材料，并將其應用于鈉離子電池及鋰空氣電池等能源器件中，該方法能夠有效控制材料的生長過程，并可通過等離子體原位對材料進行異質原子摻雜，提高其電化學性能。該系列工作發表在J. Power Sources, 2017, 360, 215; J. Power Sources, 2017, 368, 88; Dalton Trans., 2017, 46,13101。

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本文由材料人學術組張杰編譯，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群”422065953，?點我加入材料人編輯部。

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